Tính toán phát tán chất phóng xạ và xây dựng kế hoạch ứng phó sự cố bức xạ hạt nhân cấp quốc gia

Hình 1: Sơ đồ phân bố trạm quan trắc phóng xạ tại Châu Âu Trong 03 phương pháp phát hiện chất phóng xạ nói trên, phương pháp thứ nhất có ưu điểm là sự chủ động trong các yếu tố con người

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Dương Hồng Nhật

TÍNH TOÁN PHÁT TÁN CHẤT PHÓNG XẠ

VÀ XÂY DỰNG KẾ HOẠCH ỨNG PHÓ SỰ CỐ BỨC XẠ,

HẠT NHÂN CẤP QUỐC GIA

Chuyên ngành : Kỹ thuật hạt nhân

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

VẬT LÝ HẠT NHÂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Đặng Thanh Lương

Hà Nội – 2014

Trang 2

2

M ỤC LỤC

MỤC LỤC 2

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN 5

DANH MỤC BẢNG SỬ DỤNG TRONG LUẬN VĂN 6

PHẦN MỞ ĐẦU 7

Chương 1 12

MÔ HÌNH GAUSS VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO VIỆC QUY HOẠCH

MẠNG LƯỚI TRẠM QUAN TRẮC PHÓNG XẠ 12

1.1 Tổng quan về phát tán chất phóng xạ trong không khí 12

1.2 Mô hình phát tán Gauss 13

1.2.1 Phát tán ngắn hạn và tức thời 15

1.2.2 Phát tán kéo dài 16

1.2.3 Phát tán dài hạn 17

1.3 Độ lệch chuẩn 17

1.3.1 Độ lệch chuẩn phương thẳng đứng (σz) 17

1.3.2 Độ lệch chuẩn phương ngang (σy) 18

1.3.3 Ảnh hưởng của thời gian phát thải và hiệu ứng chắn tới độ lệch chuẩn 18

1.3.4 Phân loại độ ổn định khí quyển Pasquill 19

1.3.5 Các tham số tính độ lệch chuẩn 21

1.4 Các yếu tố kỹ thuật cho việc quy hoạch mạng lưới trạm quan trắc phóng xạ dựa trên độ lệch chuẩn theo phương ngang (σy) 22

1.4.1 Độ lệch chuẩn của phân bố Gauss 22

1.4.2 Đặt vấn đề về việc tính số trạm quan trắc phóng xạ dựa trên độ lệch chuẩn theo phương ngang (σy) 23

1.4.3 Xác định phân bố độ ổn định khí quyển tại khoảng cách cần quan trắc 24

1.4 4 Phân bố hoa gió 28

Chương 2 30

QUY HOẠCH TRẠM QUAN TRẮC PHÓNG XẠ 30

Trang 3

3

2.1 Xác định góc phát tán chiếm ưu thế trong năm đối với vị trí dự kiến

xây dựng NMĐHN Ninh Thuận 30

2.1.1 Góc phát tán chiếm ưu thế trong năm đối với khu vực dự kiến xây dựng NMĐHN Ninh Thuận 30

2.1.2 Góc phát tán chiếm ưu thế trong năm đối với vị trí xây dựng NMĐHN Phòng Thành – Trung Quốc 35

2.2 Xác định độ dài cung tại vị trí cần quan trắc 42

2.2 Độ ổn định khí quyển được sử dụng cho việc quy hoạch trạm quan trắc 44

2.3 Quy hoạch số trạm quan trắc tại Ninh Thuận 45

2.3.1 Quy hoạch số trạm quan trắc tại cung có bán kính 5.000m 45

2.3 2 Tính số trạm quan trắc tại cung có bán kính 30.000m 46

2.3.3 Tính số trạm quan trắc tại cung có bán kính 50.000m 47

2.4 Tính số trạm quan trắc tại các tỉnh biên giới Việt Nam – Trung Quốc 50 2.4 1 Tính số trạm quan trắc tại cung có bán kính 60.000m 50

2.4.2 Tính số trạm quan trắc tại cung có bán kính 150.000m 51

Chương 3 55

HỆ THỐNG TRẠM QUAN TRẮC PHÓNG XẠ VÀ KẾ HOẠCH ỨNG PHÓ SỰ CỐ BỨC XẠ, HẠT NHÂN CẤP QUỐC GIA 55

3.1 Mô hình ứng phó sự cố bức xạ hạt nhân cấp Quốc gia của Việt Nam 55 3.2 Vai trò của TSO 56

3.3 Vai trò của hệ thống trạm quan trắc trong Kế hoạch ứng phó sự cố bức xạ hạt nhân cấp Quốc gia 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 60

PHỤ LỤC 61

PHỤ LỤC 1: QUY TRÌNH LẤY SỐ LIỆU KHÍ TƯỢNG 61

PHỤ LỤC 2: SỐ LIỆU KHÍ TƯỢNG 62

PHỤ LỤC 3: THỐNG KÊ PHÂN BỐ ĐỘ ỔN ĐỊNH KHÍ QUYỂN KHU VỰC DỰ KIẾN XÂY DỰNG NMĐHN NINH THUẬN 104

PHỤ LỤC 4: THỐNG KÊ PHÂN BỐ ĐỘ ỔN ĐỊNH KHÍ QUYỂN KHU VỰC XÂY DỰNG NMĐHN PHÒNG THÀNH – TRUNG QUỐC 105

Trang 4

4

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn “Tính toán phát tán chất phóng xạ và Xây dựng

kế hoạch ứng phó sự cố bức xạ, hạt nhân cấp Quốc gia” là công trình nghiên cứu riêng của tôi

Các số liệu trong luận văn được sử dụng trung thực Kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn chưa từng được công bố tại bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin chân thành cảm ơn các giảng viên trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

đã truyền đạt cho tôi kiến thức trong thời gian học ở trường

Tôi xin chân thành cảm ơn Cục An toàn bức xạ và hạt nhân đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình làm luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn TS Đặng Thanh Lương đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành tốt luận văn này

Hà nội, ngày 29 tháng 4 năm 2014 Tác giả luận văn

Dương Hồng Nhật

Trang 5

5

Hình 1: Sơ đồ phân bố trạm quan trắc phóng xạ tại Châu Âu 8

Hình 2.2: Góc trương bởi dây cung tại các vị trí cần lắp đặt trạm quan trắc đối với

Trang 6

6

Bảng 1.1: Các độ ổn định khí quyển Pasquill 21 Bảng 1.2: Điều kiện khí tượng cho mỗi độ ổn định Pasquill 21 Bảng 1.3 Giá trị tham số sử dụng trong phương trình (6a) 21 Bảng 1.4 Giá trị tham số sử dụng trong phương trình (6b) và (6c) 22 Bảng 1.5 Giá trị tham số sử dụng trong phương trình (15) 22 Bảng 1.6: Tương quan giữa hướng gió và góc thuộc hướng gió đó 28 Bảng 2.1: Đồ thị hoa gió thể hiện tương quan giữa hướng gió – tần suất xuất

hiện đối với khu vực dự kiến xây dựng NMĐHN Ninh Thuận

30

Bảng 2.2: Đồ thị hoa gió thể hiện tương quan giữa hướng gió – tần suất xuất

hiện đối với khu vực NMĐHN Phòng Thành – Trung

36

Bảng 2.3: Kích thước các vùng lập kế hoạch ứng phó sự cố 43 Bảng 2.5: Tổng hợp kết quả quy hoạch số trạm quan trắc 54

Trang 7

7

PH ẦN MỞ ĐẦU

Điện hạt nhân, một phát minh đột phá trong thế kỷ 20, đã được nhiều quốc gia chấp nhận và sử dụng bởi những ưu thế đáng kể so với những nguồn năng lượng truyền thống khác Những ưu thế đó bao gồm sự chủ động trong nhiên liệu sử dụng, công suất ổn định không phụ thuộc điều kiện thời tiết, thân thiện với môi trường trong điều kiện hoạt động bình thường v.v Tuy nhiên điện hạt nhân có nhược điểm quan trọng là khả năng xảy ra sự cố gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới con người và môi trường, chi phí khắc phục sự cố rất cao Về mặt kỹ thuật, những sự cố lớn đã xảy ra như sự cố Three Mile Island tại Hoa Kỳ năm 1979, sự cố Chernobyl tại Ukraina năm

1986, sự cố Fukushima tại Nhật Bản năm 2011 đã đặt ra nhiều vấn đề cần xử lý trong công tác ứng phó sự cố, mô phỏng phát tán chất phóng xạ và đặc biệt là quan trắc phóng xạ môi trường

Khi xảy ra sự cố bức xạ và hạt nhân, tùy thuộc vào mức độ trầm trọng của sự

cố, đặc tính của nguồn phóng xạ hoặc vật liệu hạt nhân, nhiên liệu hạt nhân, điều kiện khí tượng, chất phóng xạ có thể phát tán ra môi trường ngoài khu vực xảy ra sự cố và gây ảnh hưởng phóng xạ tới con người và môi trường Một trong những yếu tố quan trọng trong việc tránh bị chiếu xạ là phát hiện sớm sự hiện diện của chất phóng xạ tại khu vực có khả năng bị ảnh hưởng bởi sự cố Hiện nay, ta có 03 phương pháp cơ bản

để phát hiện sớm khả năng hiện diện của chất phóng xạ do sự cố gây ra tại một khu vực bên ngoài nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) Phương pháp thứ nhất là cử các đội ứng phó sự cố cùng trang thiết bị phát hiện chất phóng xạ tới khu vực có khả năng bị ảnh hưởng từ sự cố để quan trắc trực tiếp chất phóng xạ Phương pháp thứ hai là sử dụng phần mềm máy tính mô phỏng quá trình phát tán chất phóng xạ Phương pháp thứ ba là quan trắc phóng xạ liên tục bằng các thiết bị đo bức xạ và phát hiện chất phóng xạ được lắp đặt trên các trạm quan trắc tại các khu vực bên ngoài nhà máy điện hạt nhân Các nước phát triển trên thế giới sử dụng đồng thời cả 03 phương pháp này trong công tác chuẩn bị và ứng phó sự cố bức xạ, hạt nhân Nhiều phần mềm máy tính được xây dựng phục vụ việc mô phỏng phát tán chất phóng xạ (IXP, HYSPLIT, PAVAN v.v.) Nhiều trạm quan trắc phóng xạ đã được chính phủ các nước xây dựng

Trang 8

8

Chỉ tính riêng tại Châu Âu, 34 chính phủ các nước đã thiết lập khoảng 4.200 trạm quan trắc nhằm phát hiện sớm sự hiện diện bất thường của chất phóng xạ [6] (minh họa xem tại Hình 1)

Hình 1: Sơ đồ phân bố trạm quan trắc phóng xạ tại Châu Âu Trong 03 phương pháp phát hiện chất phóng xạ nói trên, phương pháp thứ nhất

có ưu điểm là sự chủ động trong các yếu tố con người, thiết bị, linh hoạt trong việc

đo và phát hiện chất phóng xạ Tuy nhiên phương pháp này có hạn chế là cần một khoảng thời gian nhất định để các đội ứng phó có thể tới khu vực cần quan trắc Ưu điểm của phương pháp thứ hai là sớm đưa ra dự báo về quá trình phát tán chất phóng

xạ và đưa ra hành động bảo vệ tương ứng Nhưng việc mô phỏng bằng phần mềm luôn có tỉ lệ sai sót nhất định và không thể chỉ dựa vào đó để đưa ra các hành động bảo vệ cho khu vực bị ảnh hưởng Phương pháp quan trắc liên tục bằng thiết bị tại các điểm quan trắc và trạm quan trắc có ưu điểm là xác định được liên tục và kịp thời ngay khi có sự hiện diện của chất phóng xạ tại khu vực bị ảnh hưởng bởi sự cố Việc

sử dụng hệ thống truyền thông tin, cập nhật liên tục kết quả tại các trạm quan trắc về trung tâm xử lý giúp ta có cái nhìn toàn diện về tình hình phát tán chất phóng xạ tại

Trang 9

Tại Việt Nam, ngày 31 tháng 8 năm 2010 Thủ tướng chính phủ đã ký quyết định số 1636/QĐ-TTg Về việc phê duyệt “Quy hoạch mạng lưới quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường quốc gia đến năm 2020” Quyết định nêu rõ mục tiêu của việc quy hoạch mạng lưới trạm quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường quốc gia nhằm bảo đảm kịp thời phát hiện diễn biến bất thường về bức xạ trên lãnh thổ Việt Nam và hỗ trợ việc chủ động ứng phó sự cố bức xạ, sự cố hạt nhân Theo lộ trình quy hoạch từ năm 2010 tới năm 2020, Việt Nam sẽ có mạng lưới trạm quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường quốc gia bao gồm 01 Trung tâm điều hành quan trắc và cảnh báo môi trường, 04 Trạm quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường cấp vùng

và 16 Trạm quan trắc cấp tỉnh [2] Tuy nhiên căn cứ kỹ thuật để thiết lập mạng lưới trạm quan trắc là không rõ ràng, số lượng trạm quan trắc và phân bố như vậy có bảo đảm khả năng phát hiện chất phóng xạ từ sự cố hay không, đặc biệt là sự cố từ NMĐHN bên ngoài lãnh thổ Việt Nam

Hiện nay, Bộ Khoa học và Công nghệ đang chủ trì xây dựng dự thảo Kế hoạch ứng phó sự cố bức xạ và hạt nhân cấp Quốc gia Trên cơ sở nghiên cứu mô hình ứng phó từ các nước phát triển, nhóm biên soạn bản kế hoạch nhận thấy yếu tố phát hiện sớm chất phóng xạ đóng vai trò quan trọng và chi phối nhiều hoạt động ứng phó sự

cố như ra quyết định sơ tán, trú ẩn Vai trò, chức năng, nhiệm vụ của các trạm quan trắc phải được quy định chi tiết trong Kế hoạch ứng phó sự cố bức xạ và hạt nhân cấp Quốc gia Trên cơ sở nghiên cứu tài liệu quốc tế và quy định hiện hành của Việt Nam, luận văn đưa ra nội dung liên quan tới vai trò, nhiệm vụ của các trạm quan trắc,

Trang 10

10

nguyên tắc hoạt động của các trạm quan trắc Phần này của luận văn được xây dựng với mục đích được đưa vào thành một phần của Kế hoạch ứng phó sự cố bức xạ và hạt nhân cấp Quốc gia

Căn cứ vào các yêu cầu thực tiễn và pháp lý nêu trên, đề tài được thực hiện và lấy tên là “Tính toán phát tán chất phóng xạ và xây dựng Kế hoạch ứng phó sự cố bức xạ, hạt nhân cấp Quốc gia” Mục đích nghiên cứu của luận văn là quy hoạch được

số điểm lắp đặt thiết bị quan trắc chất phóng xạ (sau đây gọi tắt là trạm quan trắc) tại các khoảng cách và góc nhất định tính từ NMĐHN Cơ sở lý thuyết cơ bản trong luận văn là phương trình phát tán Gauss

Việt Nam đang sử dụng nhiều tài liệu quốc tế cho việc nghiên cứu mô hình phát tán chất phóng xạ như Báo cáo an toàn số 19 “Các mô hình chung sử dụng trong đánh giá ảnh hưởng của chất phóng xạ thải vào môi trường” [8], Hướng dẫn an toàn

số 1.8 “Quan trắc môi trường và nguồn phóng xạ đối với mục đích an toàn bức xạ” [9], tài liệu số CAN/CSA-N288.2-M91 về “Hướng dẫn tính toán liều bức xạ đối với công chúng gây ra do phát thải chất phóng xạ qua đường khí dưới điều kiện sự cố giả định đối với lò phản ứng hạt nhân” [10] Tuy nhiên tại Việt Nam hiện nay chưa có tài liệu nói trực tiếp về việc tính toán phân bố trạm quan trắc phóng xạ Đây chính là một hướng đi mới được đề cập tới trong luận văn

Đối tượng nghiên cứu chính của luận văn là yếu tố độ lệch chuẩn trong phương trình phát tán Gauss, cùng với đó là việc nghiên cứu dữ liệu khí tượng tại các khu vực

có nguồn phát tán chất phóng xạ Vị trí được giả thiết phát tán là khu vực dự kiến xây dựng NMĐHN tại Ninh Thuận và NMĐHN Phòng Thành – Trung Quốc Khu vực xây dựng NMĐHN Phòng Thành – Trung Quốc cách biên giới phía bắc Việt Nam khoảng 60km Nếu NMĐHN ở đây xảy ra sự cố, chất phóng xạ hoàn toàn có thể phát tán trực tiếp và gây ảnh hưởng tới Việt Nam Do đó ta cần quy hoạch trạm quan trắc nhằm phát hiện sớm phát tán chất phóng xạ do sự cố từ khu vực đó Số liệu khí tượng được sử dụng là năm 2008 - 2009 đối của tỉnh Ninh Thuận và năm 2010 – 2011 đối với Phòng Thành – Trung Quốc

Trang 11

11

Luận điểm khoa học cơ bản của luận văn là căn cứ trên yếu tố độ lệch chuẩn trong phương trình phát tán Gauss qua đường khí Trong phân bố Gauss, xấp xỉ 68% phân bố các hạt nằm trong vùng (µ - σ; µ + σ ), với σ là độ lệch chuẩn theo phương vuông góc với hướng phát tán Từ đó ta thấy yêu cầu cơ bản của việc thiết lập trạm quan trắc là khoảng cách giữa hai điểm phải không lớn hơn 2σ nhằm bảo đảm các trạm quan trắc có thể “đón nhận” luồng phát tán chất phóng xạ qua đường khí Việc tính σ phụ thuộc vào khoảng cách tại điểm cần quan trắc tính từ nguồn phát thải và

độ ổn định khí quyển tại điểm phát thải

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn bao gồm:

• Nghiên cứu các đề tài, luận văn, văn bản pháp quy của Việt Nam đã được thực hiện và ban hành;

• Nghiên cứu tài liệu có liên quan của IAEA và các nước phát triển;

• Nghiên cứu và sử dụng kết quả của các luận văn khác làm tài liệu kiểm chứng

• Thu thập số liệu khí tượng từ nguồn quốc tế và số liệu đã được kiểm chứng

độ tin cậy thông qua các nghiên cứu khác

Trang 12

12

Chương 1

MÔ HÌNH GAUSS VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO VIỆC QUY HOẠCH

1.1 T ổng quan về phát tán chất phóng xạ trong không khí

Sau khi phát tán vào không khí, nhân phóng xạ trải qua việc vận chuyển theo hướng gió (đối lưu) và quá trình pha trộn (khuếch tán rối) Chất phóng xạ đồng thời

bị lấy ra khỏi không khí thông qua cả quá trình lắng đọng khô và ướt trên mặt đất và quá trình phân rã Việc phát tán qua đường khí phụ thuộc vào các điều kiện khí tượng (độ ổn định khí quyển, tốc độ gió, hướng gió v.v.), khoảng thời gian phát tán, hiệu ứng chắn, địa hình và vị trí tương đối của điểm tiếp nhận so với điểm phát thải Một

mô hình toán học cho các quá trình nói trên cần được đưa vào nhằm phân tích nồng

độ nhân phóng xạ tại một vị trí theo hướng gió từ điểm phát thải

Hai phương pháp được sử dụng để mô tả sự khuếch tán nhiễu loạn là lý thuyết vận chuyển Gradient và lý thuyết thống kê Lý thuyết vận chuyển Gradient ứng với vận chuyển khí quyển tại một điểm cố định, tương tự như lý thuyết khuếch tán phân

tử được đưa ra đầu tiên bởi Fisk, tỷ lệ thuận với gradient nồng độ địa phương

Vector thông lượng S qua một diện tích dA tại một điểm nhất định bằng:

S = − ∇K χ

ur

(1) Trong đó K là hệ số khuếch tán nhiễu loạn và χ là nồng độ chất ô nhiễm trong thể tích vô cùng nhỏ dV

Giả sử không có nguồn hoặc bị mất đi trong dV, sự thay đổi của nồng độ chất

ô nhiễm theo thời gian được tính như sau:

divS t

Giả định về tính đồng nhất không gian, nghĩa là: ∇K= 0

Kết quả trong phương trình khuếch tán Fick:

2

K t

∂ = ∇

Trang 13

13

Bởi vì lý thuyết khuếch tán này tập trung vào việc vận chuyển khí quyển tại một điểm cố định trong không gian, lý thuyết có thể được xem là có bản chất Euler Điều này có nghĩa là nó xem xét tính chất của dòng chuyển động tương đối với một

hệ tọa độ cố định trong không gian Lý thuyết thống kê khác đáng kể so với lý thuyết vận chuyển Gradient Thay vì nghiên cứu các dòng vật chất tại một điểm cố định trong không gian, lý thuyết nghiên cứu lịch sử về chuyển động của các hạt vật chất riêng lẻ và cố gắng xác định từ các thuộc tính thống kê cần thiết để đại diện cho sự khuếch tán Phương pháp này có bản chất Lagrange

Đối với lý thuyết khuếch tán lớn, tức là chuyển động hạt gần như không liên quan, cả lý thuyết vận vận chuyển Gradient và lý thuyết thống kê đều cho ra kết quả

là phân bố Gauss của chất thải trong không khí là lời giải cơ bản

1.2 Mô hình phát tán Gauss

Mô hình phát tán Gauss là một trong những mô hình tính toán phát tán chất phóng xạ được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Mô hình này có một số ưu điểm như:

• Kết quả đầu ra của mô hình phù hợp với số liệu thực nghiệm;

• Dễ hiểu và thuận lợi trong việc thực hiện phép toán trong các phương trình;

• Phù hợp với bản chất tự nhiên của nhiễu loạn;

• Các phương trình lý thuyết có chứa nhiều số liệu thực nghiệm ở giai đoạn cuối

Các phương trình tính toán trong Chương này chủ yếu được lấy từ tài liệu số [10]

Trang 14

14

Hình 1.1: Mô hình phát tán Gauss Giả thiết chất phóng xạ phát tán tức thời từ một nguồn thải điểm khuếch tán trong không gian 3 chiều Cường độ phát thải Q (Bq/s), nồng độ χ(Bq/m3) là hàm số của x, y, z, t Thông thường giả thiết điểm nguồn trùng với gốc tọa độ và t là thời gian chuyển động của chất thải từ khi được thải ra Nếu σ2là độ lệch chuẩn của phân bố

và giả thiết quá trình đẳng hướng thì:

Trang 15

15

Do hầu hết các nguồn liên tục đặt trên hay gần mặt đất, cho nên cần thiết phải xét đến sự tồn tại của vật cản vật lý là mặt đất Điều này có thể thực hiện bằng cách giả thiết có nguồn ảo đặt phía dưới mặt đất và đối xứng với nguồn thực Nguồn ảo sẽ tạo ra sự phản xạ vật chất bởi mặt đất – đó là trường hợp vật chất không bị mặt đất hấp thụ Kết quả từ phương trình (7) là:

χ(x,y,z) = nồng độ trung bình (Bq/m3) tại một điểm có tọa độ (x,y,z), trong

đó thời gian được tính tối thiểu là bằng với thời gian phát thải

Q = hoạt độ hiệu dụng trên thời gian phát thải (Bq/s), là hoạt độ chất

phóng xạ phát thải vào không khí trên thời gian phát tán, được hiệu chuẩn với các hệ số thể hiện sự phân rã phóng xạ, sự xuất hiện của sản phẩm con và lắng đọng trên mặt đất

y

Σ = độ lệch chuẩn (m) theo phương y (σy), được hiệu chuẩn với

hiệu ứng chắn và khoảng thời gian phát tán

z

Σ = độ lệch chuẩn (m) theo phương z (σz), được hiệu chuẩn với

hiệu ứng chắn

u = tốc độ gió trung bình (m/s) tại độ cao hiệu dụng H của điểm

phát thải Khi tốc độ gió trung bình thường được đo tại độ cao 10m (u10), giá trị u10 được khuyến cáo sử dụng thay cho u

Trang 16

16

H = chiều cao hiệu dụng của điểm phát thải (m), là chiều cao vật lý

của điểm phát thải được hiệu chuẩn với độ hạ, độ cuốn, độ nâng

và đà tăng của luồng khí

( z, , )i

f Σ H h = hàm hiệu chuẩn nghịch nhiệt

hi = độ cao của lớp nghịch nhiệt

Hệ số suy giảm tại mặt đất có được bằng cách cho z = 0 trong phương trình

Khi độ cao điểm phát thải H = 0, giả thiết rằng độ cao của hilớn hơn nhiều

so với H, hệ số pha loãng tại đường trung tâm của luồng khí (y = 0) là:

1

2 2

l

z i 2

Trong đó, θl là góc được trương bởi luồng khí tại điểm phát thải hiệu dụng

Do việc chia các hoa gió thành n cung bằng nhau là phổ biến, θl trong phương trình (4) được mô tả dưới góc 2π/n Việc quan sát độ uốn của gió chỉ ra rằng θ thay đổi từ 30-60o đối với phát tán kéo dài dưới các điều kiện khí hậu khác nhau Theo khuyến cáo ở mức độ tương đối, góc trương bởi luồng khí nên là 22.5o (hoặc góc

2π/16 đối với n = 16) với mọi điều kiện khí hậu

Trang 17

17

1.2.3 Phát tán dài h ạn

Phát tán dài hạn là quá trình một nguồn phát tán thải liên tục chất phóng xạ trong thời gian trên một ngày, ta giả thiết rằng không chỉ luồng khí phát tán dọc một cung có góc θ mà còn bao gồm cả việc điều kiện khí tượng và hướng gió có thể thay đổi Để đưa các yếu tố đó vào tính toán, phương trình (4) được điều chỉnh bằng cách đưa vào hệ số Fk và Fki, trong đó:

Fk là tần suất (phần trăm thời gian) mà gió thổi theo cung hoa gió k

Fki là khoảng thời gian mà độ ổn định khí quyển i chiếm ưu thế khi gió thổi theo cung hoa gió k

Trong một cung, sự phân bố theo mọi độ ổn định Pasquill được tính tổng Kết quả của hệ số suy giảm đối với phát tán dài hạn, χ

a xg(x)=

Trang 18

18

1

2

d 1

2

c xF(z ,x)=ln

1+c x

  với zo ≤ 0,1m (14c) Các tham số a1, b1, a2, và b2 phụ thuộc vào độ ổn định khí quyển và được cho trong Bảng 1.3 Các tham số c1, d1, c2, và d2 phụ thuộc vào độ thô của địa hình, zo, được xem xét đưa vào đối với hiệu ứng thô từ bề mặt (xem Bảng 1.4)

1.3.2 Độ lệch chuẩn phương ngang (σy)

Độ lệch chuẩn phương ngang, σy, là một hàm của khoảng cách theo hướng gió, x, và được biểu diễn bởi phương trình sau:

3

c x

σ =(1+0,0001x) (m) (15) [4]

Với c3phụ thuộc vào độ ổn định khí quyển Pasquill và được cho trong Bảng 1.5 Phương trình (15) là phương trình chính được sử dụng trong luận văn để quy hoạch trạm quan trắc

1.3.3 Ảnh hưởng của thời gian phát thải và hiệu ứng chắn tới độ lệch chuẩn 1.3.3.1 Ảnh hưởng của thời gian phát thải tới độ lệch chuẩn

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng σz ít thay đổi theo thời gian phát tán trong khi

y

σ phụ thuộc nhiều vào thời gian phát tán [10]

Đối với khoảng thời gian phát tán tRdưới 10’ giá trị σy sẽ là σytR =σy

Đối với khoảng thời gian phát tán tR từ 10’ đến 1h, giá trị σy sẽ là

0.2 600

Trang 19

19

1.3.3.3 Ảnh hưởng của hiệu ứng chắn tới độ lệch chuẩn

Quá trình phát tán chất phóng xạ chịu ảnh hưởng lớn bởi các tòa nhà bao quanh điểm phát thải Hình dạng tòa nhà và đặc tính của luồng phát thải ảnh hưởng nhiều tới quá trình phát tán và kéo theo đó là ảnh hưởng tới giá trị độ lệch chuẩn Các điều kiện khí động học của các tòa nhà, được gọi là hiệu ứng chắn, có thể được bỏ qua nếu chiều cao phát tán hiệu dụng H không nhỏ hơn 2,5 lần chiều cao của tòa nhà gần đó

Hb (H≥2,5Hb) [10] Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, đây chính là yếu tố giả định đầu vào cho việc tính toán

1.3.4 Phân lo ại độ ổn định khí quyển Pasquill

Mức độ ổn định của khí quyển có ảnh hưởng lớn tới việc phát tán không khí ô nhiễm do sự bất ổn định làm tăng độ cuốn và hòa lẫn của không khí không ô nhiễm vào luồng khí phát tán Việc đó dẫn tới giảm nồng độ chất ô nhiễm trong luồng khí phát tán Sự thay đổi độ ổn định theo độ cao chịu sự ảnh hưởng bởi phân bố nhiệt độ theo độ cao Sự giảm mạnh nhiệt độ theo độ cao dẫn tới điều kiện không ổn định và dẫn tới đẩy mạnh thăng giáng dòng phát tán Sự giảm nhẹ nhiệt độ theo độ cao dẫn tới điều kiện ổn định và làm chậm sự chuyển động theo chiều dọc Khi nhiệt độ tăng với độ cao khí quyển, một điều kiện ổn định cực biên xảy ra và được gọi là hiện tượng nghịch nhiệt Do đó việc phân loại mức độ ổn định của khí quyển là rất quan trọng tại bất kỳ thời điểm nào

Trang 20

20

Hình 1.2: Ảnh hưởng của độ ổn định khí quyển tới quá trình phát tán chất phóng xạ

Hình 1.2 đưa ra đặc trưng về tốc độ gió theo độ cao, biến thiên nhiệt độ theo

độ cao và sự lan truyền tương ứng của luồng khí từ ống khói

• Looping: bất ổn định lớn ban ngày;

• Coning: ổn định tự nhiên, khí quyển ổn định và hỗn loạn rất nhỏ vào sáng sớm;

• Fanning: nghịch nhiệt bề mặt luồng khí trong điều kiện quang mây ban đêm;

• Fumigation: nghịch nhiệt trên cao;

• Lofting: nghịch nhiệt dưới ống khói trong điều kiện chiều tối;

• Trapping: nghịch nhiệt bên trên và bên dưới chiều cao ống khói

Phương pháp phân loại độ ổn định khí quyển Pasquill là phương pháp được sử dụng sớm và đến nay vẫn là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất Theo phương pháp này, mức độ ổn định của khí quyển được chia thành 06 mức có tên A, B, C, D,

E và F với mức A là kém ổn định nhất hay nhiễu động nhất và mức F là ổn định nhất hay ít nhiễu động nhất Bảng 1.1 đưa ra 06 độ ổn định khí quyển và Bảng 1.2 đưa ra điều kiện khí tượng cho mỗi mức

Trang 22

(m)

Bãi cỏ, mặt

nước 0,01 1,56 0,048 6,25x10-4 0,45 Đất cày 0,04 2,02 0,0269 7,76x10-4 0,37

1.4 Các y ếu tố kỹ thuật cho việc quy hoạch mạng lưới trạm quan trắc phóng

x ạ dựa trên độ lệch chuẩn theo phương ngang (σy)

1.4.1 Độ lệch chuẩn của phân bố Gauss

Phân bố chuẩn, còn gọi là phân bố Gauss, là một phân bố xác suất rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực Đặc tính của một phân bố được mô tả thông qua hàm mật

Trang 23

23

độ xác suất Hàm mật độ xác suất cho biết khả năng xảy ra của mỗi giá trị của biến ngẫu nhiên

Hàm mật độ xác suất của phân bố chuẩn với giá trị trung bình µ và phương sai

σ2 (hay độ lệch chuẩn σ) là một ví dụ của hàm Gauss

2 2

f(x)

x Hình 1.3: Phân bố chuẩn

Trong phạm vi luận văn, ta chỉ quan tâm tới một khía cạnh của phân bố Gauss,

đó là độ lệch chuẩn Độ lệch chuẩn của phân bố Gauss có đặc điểm sau:

• 68.26894921371% của diện tích dưới đường cong là nằm trong khoảng 1 lần độ lệch chuẩn tính từ giá trị trung bình, tức là khoảng (µ - σ; µ + σ );

• 95.44997361036% của diện tích dưới đường cong là nằm trong khoảng 2 lần độ lệch chuẩn, tức là khoảng (µ - 2σ; µ + 2σ );

• 99.73002039367% của diện tích dưới đường cong là nằm trong khoảng 3 lần độ lệch chuẩn, tức là khoảng (µ - 3σ; µ + 3σ )

Liên hệ sang mô hình phát tán Gauss, yếu tố phát tán theo phương ngang, ta thấy ~68% số hạt phát tán nằm trong khoảng (µ - σy; µ + σy ) Khoảng này có bề rộng

là 2 σyvà là khu vực có khả năng cao nhất phát hiện sự hiện diện của chất phóng xạ

1.4.2 Đặt vấn đề về việc tính số trạm quan trắc phóng xạ dựa trên độ lệch

chu ẩn theo phương ngang (σy)

Căn cứ trên mô hình phát tán Gauss và phân bố Gauss, ta nhận thấy giá trị 2σy thể hiện độ rộng của luồng phát tán (mở rộng theo phương ngang của luồng phát tán

Trang 24

số lượng đầu dò được xác định bằng cách chia độ dài cung cho 2σy Theo phương trình (15), ta tính được σytại khoảng cách x khi có được c3 Giá trị c3có được khi biết phân bố độ ổn định khí quyển tại khoảng cách x Như vậy để tính được số trạm quan trắc tối thiểu tại một khoảng cách so với điểm phát thải ta cần:

• Xác định phân bố độ ổn định khí quyển tại khoảng cách cần quan trắc (tìm

độ ổn định có tần suất xuất hiện nhiều nhất trong năm) từ đó tính được σy

và σytR;

• Xác định góc phát tán chiếm ưu thế trong năm;

• Xác định độ dài cung tại vị trí cần quan trắc;

• Lấy độ dài cung chia cho 2.σytR , sau đó công thêm 01 để có được số trạm quan trắc tối thiểu

Số trạm quan trắc tính được không áp dụng sai số do các số liệu đầu vào (khoảng cách, hệ số c3, hướng gió) được mặc định là số liệu tuyệt đối

1.4.3 Xác định phân bố độ ổn định khí quyển tại khoảng cách cần quan trắc

Phân bố độ ổn định khí quyển tại một điểm thay đổi liên tục hàng giờ tùy thuộc vào điều kiện khí hậu tại thời điểm đó Để việc tính toán phù hợp với điều kiện khí hậu thực tế và tối ưu hóa việc bố trí trạm quan trắc, ta phải dựa trên độ ổn định khí quyển chiếm ưu thế nhiều nhất (tần suất xuất hiện lớn nhất trong năm) tại khu vực cần quan trắc Để đưa ra được thông số đó thì điều kiện tiên quyết là ta phải có được

dữ liệu thống kê phân bố độ ổn định khí quyển tại địa điểm cần quan trắc

1.4.3.1 Ngu ồn dữ liệu phân bố độ ổn định khí quyển

Dữ liệu thống kê phân bố độ ổn định khí quyển tại điểm cần quan trắc có được thông qua 02 cách sau Cách thứ nhất là từ các trạm quan trắc khí tượng tại khu vực

đó Cách thứ hai là mô hình hóa hệ khí tượng để có được dữ liệu tại khu vực quan

Trang 25

25

tâm Trong luận văn này, dữ liệu thống kê phân bố độ ổn định khí quyển tại địa điểm cần quan trắc được thu thập bằng cách thứ hai Nguồn dữ liệu được lấy từ trang web http://ready.arl.noaa.gov/ [5] của Hoa Kỳ Việc sử dụng dữ liệu và tính tin cậy của số liệu từ trang web này được diễn giải sau đây

Trang web http://ready.arl.noaa.gov/ được quản lý bởi ARL (Air Resource Laboratory) thuộc Cơ quan quản lý khí tượng và đại dương Hoa Kỳ (NOAA) Trang web cung cấp cơ sở dữ liệu khí tượng (hướng gió, độ ổn định khí quyển theo thời gian v.v.), chương trình mô phỏng phát tán chất phóng xạ qua đường khí (phần mềm HYSPLIT) cho người dùng online Cơ sở dữ liệu của ARL được lấy từ Trung tâm dự báo khí tượng quốc gia Hoa Kỳ (NCEP) Dữ liệu của NCEP có được từ hệ thống vệ tinh theo dõi khí tượng toàn cầu

Dữ liệu từ trang web http://ready.arl.noaa.gov/ bảo đảm độ tin cậy cho việc sử dụng trong luận văn vì những lý do sau Đây là nguồn khí tượng được quản lý bởi Hoa Kỳ và đã được sử dụng trong nhiều công trình khoa học, sự cố thực tế Tại Việt Nam, Luận văn thạc sỹ khoa học "Đánh giá phát tán phóng xạ trong môi trường khí" [3] của Ths Tào Xuân Khánh đã sử dụng phần mềm HYSPLIT cùng cơ sở dữ liệu trên trang web này cho việc tính toán phát tán chất phóng xạ Luận văn đã so sánh giữa kết quả mô phỏng phát tán chất phóng xạ cho sự cố Fukushima I giữa phần mềm HYSPLIT và phần mềm của RSMC Tokyo (Nhật Bản), RSMC Obnisk (Nga) và RSMC Beijing (Trung Quốc) Kết quả cho thấy có sự tương đồng cao giữa phần mềm HYSPLIT và các phần mềm đó trong kết quả tính toán phát tán chất phóng xạ

Trang 26

26

Hình 1.4: So sánh kết quả tính toán giữa phần mềm HYSPLIT

và các phần mềm khác

1.4.3.2 D ữ liệu phân bố độ ổn định khí quyển

Trong khuôn khổ luận văn, dữ liệu khí tượng được sử dụng bao gồm Phân bố

độ ổn định khí quyển tỉnh Ninh Thuận trong hai năm 2008 và 2009 và Phân bố độ ổn định khí quyển Phòng Thành – Trung Quốc trong hai năm 2011 và 2012

Kết quả tính toán quỹ đạo từ Nga Tính toán quỹ đạo từ Nhật Bản

Kết quả tính toán quỹ đạo từ Nga Kết quả tính toán quỹ đạo từ phần mềm

HYSPLIT

Trang 27

27

Dữ liệu phân bố độ ổn định khí quyển trên trang web được lấy ra thành từng file riêng lẻ, mỗi file tương ứng với thời gian 84h Quy trình lấy số liệu trên trang web được trình bày trong Phụ lục 1 Quy trình lấy số liệu trên ARL Một file dữ liệu phân bố độ ổn định khí quyển có cấu trúc như Hình 1.5

Hình 1.5: Cấu trúc file dữ liệu phân bố độ ổn định khí quyển Trong đó:

11.58 : Vĩ độ điểm lấy số liệu

108.982: Kinh độ điểm lấy số liệu

YR: Năm lấy số liệu MO: Tháng lấy số liệu

DA: Ngày lấy số liệu HR: Giờ lấy số liệu

MN: Phút lấy số liệu PSQ: Độ ổn định khí quyển tại thời điểm lấy

Zi: Độ cao lớp biên

10xKz: 10 lần hệ số pha loãng theo độ cao

U*: Tốc độ ma sát

Zt: Độ cao địa hình

Trang 28

28

Kh: Hệ số pha loãng theo chiều ngang

Từ các file riêng lẻ cho mỗi 84h, số liệu được tập hợp thành file lớn cho mỗi năm Số liệu chi tiết cho từng năm 2008, 2009 của tỉnh Ninh Thuận và năm 2010,

2011 của Phòng Thành – Trung Quốc xem tại Phụ lục 2 Do lượng số liệu được lấy trong một năm tương đối lớn, Phụ lục chỉ đưa ra số liệu tại thời điểm 0h và 12h cho mỗi ngày Việc tính toán trong luận văn vẫn bảo đảm tính đầy đủ cho số liệu tại các thời điểm 0h, 3h, 6h, 9h, 12h, 15h, 18h và 21h

Từ số liệu tổng hợp cho một năm, bằng các thuật toán trên máy tính, ta có thể thống kê được tần suất xuất hiện của mỗi độ ổn định A, B, C, D, E, F trong một năm

và đưa ra được độ ổn định chiếm ưu thế cao nhất trong năm

1.4.4 Phân b ố hoa gió

Phân bố hoa gió được thường được thể hiện qua 16 hướng N, NNE, NE, ENE,

E, ESE, SE, SSE, S, SSW, SW, WSW, W, WNW, NW, NNW Trong đó N, E, S, W

là những chữ cái viết tắt từ tiếng Anh tương ứng với hướng Bắc, Đông, Nam, Tây

16 hướng hoa gió phủ kín đường tròn 360 độ, mỗi hướng hoa gió tương ứng một cung nhất định

Bảng 1.6: Tương quan giữa hướng gió và góc thuộc hướng gió đó

Trang 29

Tóm tắt: Chương 1 trình bày phát tán chất phóng xạ qua đường khí với

việc đề cập tới mô hình phát tán Gauss Với mục đích nghiên cứu của Luận văn, Chương 1 đưa ra công thức tính độ lệch chuẩn theo phương ngang, đề cập tới sự ảnh hưởng của thời gian phát thải và độ ổn định khí quyển tới độ lệch chuẩn Chương 1 đồng thời đưa ra toàn bộ lý thuyết cho việc quy hoạch trạm quan trắc bằng việc sử dụng độ lệch chuẩn, nêu rõ nguồn số liệu được sử dụng, mức độ tin cậy được sử dụng

và quy trình lấy số liệu cho luận văn Bao gồm đưa ra lập luận về độ lệch chuẩn trong phân bố Gauss liên quan tới việc tính số trạm quan trắc phóng xạ; các bước để tính

độ lệch chuẩn theo phương ngang Chương 1 đưa ra các góc (hướng phát tán) tính tại NMĐHN cần lắp đặt hệ thống trạm quan trắc đối với vị trí dự kiến xây dựng NMĐHN tại Ninh Thuận và NMĐHN tại Phòng Thành Trung Quốc; khoảng cách cần thiết lập trạm quan trắc dựa theo các quy định về vùng ứng phó sự cố

Trang 30

Căn cứ trên số liệu khí tượng trong Phụ lục 2, ta thống kê được tần suất xuất

hiện từng hướng gió trong một tháng tại khu vực quan tâm Từ tấn suất đó ta đưa ra

các đồ thị hoa gió cho từng tháng trong năm tại khu vực dự kiến xây dựng NMĐHN

Ninh Thuận Một điểm cần lưu ý là đồ thị trong luận văn đã được quay 180o để thể

hiện ảnh hưởng từ hướng gió tới từ một điểm Chi tiết đồ thị như sau:

Bảng 2.1: Đồ thị hoa gió thể hiện tương quan giữa hướng gió – tần suất xuất hiện

đối với khu vực dự kiến xây dựng NMĐHN Ninh Thuận

0 50 100 150

200 N NNE

NE ENE E ESE SE SSE S

SSW SW

200 N NNE

SSW SW WSW W WNW NW NNW

0 50 100 150

200 N NNE

SSW SW

150 N NNE

Trang 31

150 N NNE

SSW SW

80 N NNE

0 20 40 60

80 N NNE

SSW SW

80 N NNE

0 50

100 N NNE

SSW SW

60 N NNE

Trang 32

80 N NNE

SSW SW

150 N NNE

0 50

100 N NNE

SSW SW

150 N NNE

0 50

100 N NNE

SSW SW

100 N NNE

Trang 33

80 N NNE

SSW SW

100 N NNE

0 20 40

60 N NNE

SSW SW

60 N NNE

0 50

100 N NNE

SSW SW

150 N NNE

Trang 34

200 N NNE

SSW SW

200 N NNE

0 200 400 600

800 N NNE

SSW SW

800 N NNE

0 500 1000 1500

2000 N NNE

Trang 35

35

Từ các đồ thị ta thấy có sự tương đồng về hoa gió giữa năm 2008 và 2009 Đồ thị hoa gió tổng hợp cho 02 năm 2008 và 2009 có thể coi là đặc trưng về hướng gió – tần suất xuất hiện tại khu vực Phan Rang - Ninh Thuận

Kết hợp đồ thị hoa gió vào vị trí dự kiến xây dựng NMĐHN Ninh Thuận, ta thấy: góc chịu ảnh hưởng có độ lớn π/4 từ SSW tới WSW (tương ứng với hướng gió tới NNE và NE) , viết tắt là (SSWuuuuur, W WuuuuuuS v) , góc π/4 (uuNr , uuurNE) (tương ứng với hướng gió tới S và SSW) được ưu tiên quan tâm hơn các hướng gió khác

Hình 2.1: Góc trương bởi dây cung tại các vị trí cần lắp đặt trạm quan trắc đối với

NMĐHN dự kiến tại Ninh Thuận

2.1.2 Góc phát tán chi ếm ưu thế trong năm đối với vị trí xây dựng NMĐHN

Phòng Thành – Trung Qu ốc

Căn cứ trên số liệu trong Phụ lục 2, ta thống kê được tần suất xuất hiện từng hướng gió trong một tháng tại khu vực quan tâm Từ tấn suất đó ta đưa ra các đồ thị hoa gió cho từng tháng trong năm tại khu vực xây dựng NMĐHN Phòng Thành – Trung Quốc Một điểm cần lưu ý là đồ thị trong luận văn đã được quay 180o để thể hiện ảnh hưởng từ hướng gió tới từ một điểm Chi tiết đồ thị như sau:

0 500 1000 1500

2000 N NNE

Trang 36

36

Bảng 2.2: Đồ thị hoa gió thể hiện tương quan giữa hướng gió – tần suất xuất hiện

đối với khu vực NMĐHN Phòng Thành – Trung Quốc

0 50

100 N NNE

SSW SW

200 N NNE

0 20 40

60 N NNE

SSW SW

60 N NNE

0 20 40

60 N NNE

SSW SW

100 N NNE

Trang 37

60 N NNE

SSW SW

60 N NNE

0 20 40 60

80 N NNE

SSW SW

60 N NNE

0 20 40 60

80 N NNE

SSW SW

150 N NNE

Trang 38

100 N NNE

SSW SW

100 N NNE

0 10 20 30

40 N NNE

SSW SW

40 N NNE

SSW SW WSW W WNW

NWNNW

0 10 20 30

40 N NNE

SSW SW

40 N NNE

Trang 39

120 N NNE

80 N NNE

SSW SW WSW W WNW

NWNNW

0 50

100 N NNE

SSW SW

80 N NNE

0 50

100 N NNE

SSW SW

150 N NNE

Trang 40

40

Năm 2010 và 2011

0 200 400

600 N NNE

SSW SW WSW

800 N NNE

0 500 1000

1500 N NNE

Định dạng
Số trang	105
Dung lượng	3,9 MB